CN107681911B - 一种z源三电平四桥臂光伏逆变器控制方法 - Google Patents

一种z源三电平四桥臂光伏逆变器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Z源三电平四桥臂光伏逆变器控制方法，其内容是：首先，调制波分别与载波C1和C2通过比较得到逻辑信号S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c，再由S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c经逻辑电路加法运算后得矢量SA、SB、SC，矢量SA、SB、SC经第四桥臂调制策略后得矢量SA、SB、SC、SD，矢量SA、SB、SC、SD在逻辑电路中按相应的对应关系分别对应得16个逻辑信号g11‑g44；由载波C1和C2与vH和vL比较得到直通信号D，最后将16个逻辑信号g11‑g44与直通信号D经本发明中的逻辑电路得到开关信号S11‑S44。本发明方法提出的这种控制策略，解决了Z源三电平四桥臂光伏逆变器中的漏电流问题，同时系统直流电压利用率高，而且本发明提出的控制方案电路结构简单，易于实现。

Description

一种Z源三电平四桥臂光伏逆变器控制方法
技术领域
本发明属于电力电子变换领域，涉及逆变器控制技术，尤其是一种Z源三电平四桥臂光伏逆变器控制方法。
背景技术
与传统的两电平逆变器相比，多电平逆变器具有开关器件耐压等级要求低、输出波形谐波含量小等优点，在光伏发电系统中得到广泛应用。传统光伏逆变器其本质上是一个降压变换器。光伏极板输出电压取决于包括天气在内的诸多因素，由于没有变压器的调节作用，光伏极板输出电压变化范围较大。为了获得足够大的并网电压，通常会在逆变器前级加入一个boost升压电路。两级电路导致复杂的电路结构和控制算法，增加了系统成本。此外，传统逆变器每个桥臂的上下开关器件有可能会直通，这会导致较高的桥臂电流，从而损坏器件。为了解决这个问题，可在逆变器前端加入Z源升压网络，组成Z源变换器。Z源变换器可以通过控制直通分量的大小来进行升降压变换，因此可以不用加入前级升压电路。由于光伏系统和大地之间存在寄生电容，光伏逆变器控制不当将造成寄生电容两端电压出现高频分量，进而引起漏电流。漏电流会导致光伏逆变器输出电流畸变、产生电磁干扰等问题。
采用先进调制策略是漏电流的解决方案之一。目前三相Z源光伏逆变器漏电流抑制调制策略主要针对于Z源三电平三桥臂逆变器和Z源两电平四桥臂逆变器，迄今为止，没有针对于Z源三电平四桥臂逆变器的漏电流抑制方案。因此，亟需一种能够有效抑制漏电流的Z源三电平四桥臂逆变器控制方案。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种Z源三电平四桥臂光伏逆变器控制策略。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Z源三电平四桥臂光伏逆变器控制方法，该方法内容具体包括如下步骤：
(1)对于Z源三电平四桥臂光伏逆变器，首先，调制波分别与三角载波C1和C2通过比较器比较后得到逻辑信号S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c，具体实现过程为：当大于C1时逻辑信号S1a等于1，否则逻辑信号S1a等于0；当大于C2时，逻辑信号S2a等于1，否则逻辑信号S2a等于0，同理可得逻辑信号S1b、S2b、S1c、S2c；
(2)逻辑信号S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c经过逻辑电路的加法运算后得矢量SA、SB、SC，具体实现过程为：SA＝S1a+S2a，SB＝S1b+S2b，SC＝S1c+S2c；
(3)矢量SA、SB、SC经过第四桥臂调制策略SA+SB+SC+SD＝4即
SD＝4-SA-SB-SC (1)
得矢量SA、SB、SC、SD，具体过程为：
SA、SB、SC为020时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0202；
SA、SB、SC为220时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2200；
SA、SB、SC为200时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2002；
SA、SB、SC为202时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2020；
SA、SB、SC为002时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0022；
SA、SB、SC为022时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0220；
SA、SB、SC为120时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1201；
SA、SB、SC为210时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2101；
SA、SB、SC为201时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2011；
SA、SB、SC为102时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1021；
SA、SB、SC为012时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0121；
SA、SB、SC为021时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0211；
SA、SB、SC为121时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1210；
SA、SB、SC为110时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1102；
SA、SB、SC为211时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2110；
SA、SB、SC为101时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1012；
SA、SB、SC为112时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1120；
SA、SB、SC为011时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0112；
SA、SB、SC为111时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1111；
当SA、SB、SC、SD为上述的19个矢量时，能满足第四桥臂调制策略，因此称为有效矢量；
当SA、SB、SC、SD为下述8个矢量时，不能满足第四桥臂调制策略，因此称为无效矢量；
SA、SB、SC为010时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为221时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为122时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为100时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为001时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为212时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为000时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为222时，不满足第四桥臂调制策略；
(4)将19个有效矢量在逻辑电路中按如下对应方法分别得g11-g4416个逻辑信号；
在状态2时，gi1＝1,gi2＝1,gi3＝0,gi4＝0；
在状态1时，gi1＝0,gi2＝1,gi3＝1,gi4＝0；
在状态0时，gi1＝0,gi2＝0,gi3＝1,gi4＝1；其中i＝1,2,3,4； (2)
(5)由三角载波与vH和vL相比较得到直通信号D，当三角波C2大于vH或三角波C1小于vL时直通信号D为1，当三角波C2小于vH或三角波C1大于vL时直通信号D为0；
(6)16个信号g11-g44分别与直通信号D经逻辑电路的或门后得16个开关管的驱动信号S11-S44。
由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法提出的这种控制策略，解决了Z源三电平四桥臂光伏逆变器中的漏电流问题，同时系统直流电压利用率高。此外，本发明提出的控制方案电路结构简单，易于实现。
附图说明
图1为Z源三电平四桥臂光伏逆变器的电路原理图；
图2为本发明提出的控制方案开关状态分布图；
图3为本发明提出的控制方案开关信号生成原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施过程对本发明作进一步详细的说明。
(1)图1为Z源三电平四桥臂光伏逆变器的电路原理图，图2为本发明提出的控制方案开关状态分布图,图3为本发明提出的控制方案开关信号生成原理图。对于Z源三电平四桥臂光伏逆变器，首先，调制波分别与三角载波C1和C2通过比较器比较后得到逻辑信号S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c，具体实现过程为：当大于C1时逻辑信号S1a等于1，否则逻辑信号S1a等于0。当大于C2时，逻辑信号S2a等于1，否则逻辑信号S2a等于0，同理可得逻辑信号S1b、S2b、S1c、S2c；
(2)逻辑信号S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c经过逻辑电路的加法运算后得矢量SA、SB、SC，具体实现过程为：SA＝S1a+S2a，SB＝S1b+S2b，SC＝S1c+S2c；
(3)矢量SA、SB、SC经过第四桥臂调制策略SA+SB+SC+SD＝4即
SD＝4-SA-SB-SC (1)
得矢量SA、SB、SC、SD，具体过程为：
SA、SB、SC为020时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0202；
SA、SB、SC为220时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2200；
SA、SB、SC为200时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2002；
SA、SB、SC为202时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2020；
SA、SB、SC为002时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0022；
SA、SB、SC为022时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0220；
SA、SB、SC为120时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1201；
SA、SB、SC为210时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2101；
SA、SB、SC为201时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2011；
SA、SB、SC为102时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1021；
SA、SB、SC为012时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0121；
SA、SB、SC为021时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0211；
SA、SB、SC为121时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1210；
SA、SB、SC为110时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1102；
SA、SB、SC为211时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2110；
SA、SB、SC为101时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1012；
SA、SB、SC为112时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1120；
SA、SB、SC为011时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0112；
SA、SB、SC为111时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1111；
当SA、SB、SC、SD为上述的19个矢量时，能满足第四桥臂调制策略，因此称为有效矢量。
当SA、SB、SC、SD为下述8个矢量时，不能满足第四桥臂调制策略，因此称为无效矢量；
SA、SB、SC为010时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为221时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为122时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为100时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为001时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为212时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为000时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为222时，不满足第四桥臂调制策略；
当SA、SB、SC、SD为下述8个矢量时，不能满足第四桥臂调制策略，因此称为无效矢量；
SA、SB、SC为010时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为221时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为122时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为100时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为001时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为212时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为000时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为222时，不满足第四桥臂调制策略；
(4)将19个有效矢量在逻辑电路中按如下对应方法分别得g11-g4416个逻辑信号；
在状态2时，gi1＝1,gi2＝1,gi3＝0,gi4＝0；
在状态1时，gi1＝0,gi2＝1,gi3＝1,gi4＝0；
在状态0时，gi1＝0,gi2＝0,gi3＝1,gi4＝1；其中i＝1,2,3,4； (2)
(5)由三角载波与vH和vL相比较得到直通信号D，当三角波C2大于vH或三角波C1小于vL时直通信号D为1，当三角波C2小于vH或三角波C1大于vL时直通信号D为0；
(6)16个信号g11-g44分别与直通信号D经逻辑电路的或门后得16个开关管的驱动信号S11-S44；
(7)Z源三电平四桥臂光伏逆变器运行状态分成两种，一是直通状态，另一个是非直通状态。
直通状态时，开关状态S11-S44全部为1，此时Z源逆变器后级短路，图1中的二极管D1和二极管D2反向截止，此时漏电流不存在回路。此外，直通状态时，A、B、C、D点对N点电压均为Vdc/2。Z源三电平四桥臂光伏逆变器共模电压定义为VCM＝(VAN+VBN+VCN+VDN)/4，因此，此时，共模电压VCM为Vdc/2；
在非直通状态时，当开关管导通时，其对应的Sij＝1，否则，Sij＝0(i＝1，2，3，4j＝1，2，3，4)。则逆变器开关状态与输出电压关系为
其中X＝A，B，C，D。
本发明中，Z源三电平四桥臂光伏逆变器采用表1中的19个有效矢量，其由图3中本发明提出的控制方式实现。19个有效矢量可以分成四大类，分别为大、中、小、零矢量。
第一类：大矢量，以0202为例，此时对应的开关状态为S11＝0，S12＝0，S13＝1，S14＝1，S21＝1，S22＝1，S23＝0，S24＝0，S31＝0，S32＝0，S33＝1，S34＝1，S41＝1，S42＝1，S43＝0，S44＝0，此时UAN和UCN均为(1-BB)Vdc，UBN和UDN均为BBVdc，则共模电压VCM为Vdc/2；
第二类：中矢量，以1201为例，此时对应的开关状态为S11＝0，S12＝1，S13＝1，S14＝0，S21＝1，S22＝1，S23＝0，S24＝0，S31＝0，S32＝0，S33＝1，S34＝1，S41＝0，S42＝1，S43＝1，S44＝0，此时UAN和UDN均为Vdc/2，UBN为BBVdc，UCN均为(1-BB)Vdc，则共模电压VCM为Vdc/2；
第三类：小矢量，以1210为例，此时对应的开关状态为S11＝0，S12＝1，S13＝1，S14＝0，S21＝1，S22＝1，S23＝0，S24＝0，S31＝0，S32＝1，S33＝1，S34＝0，S41＝0，S42＝0，S43＝1，S44＝1，此时UAN和UCN均为Vdc/2，UBN为BBVdc，UDN均为(1-BB)Vdc，则共模电压VCM为Vdc/2；
第四类：零矢量，只有一个零矢量，即1111，此时对应的开关状态为S11＝0，S12＝1，S13＝1，S14＝0，S21＝0，S22＝1，S23＝1，S24＝0，S31＝0，S32＝1，S33＝1，S34＝0，S41＝0，S42＝1，S43＝1，S44＝0，此时UAN、UBN、UCN、UDN均为Vdc/2，则共模电压VCM为Vdc/2；
综上所述，图3中提出的控制策略可以实现表1中的开关状态，实现了系统共模电压恒定，从而使系统漏电流得到有效抑制。
表1开关状态和系统共模电压

Claims (1)

1.一种Z源三电平四桥臂光伏逆变器控制方法，其特征在于：该方法内容具体包括如下步骤：
(1)对于Z源三电平四桥臂光伏逆变器，首先，调制波分别与三角载波C1和C2通过比较器比较后得到逻辑信号S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c，具体实现过程为：当大于C1时逻辑信号S1a等于1，否则逻辑信号S1a等于0；当大于C2时，逻辑信号S2a等于1，否则逻辑信号S2a等于0，同理可得逻辑信号S1b、S2b、S1c、S2c；
(2)逻辑信号S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c经过逻辑电路的加法运算后得矢量SA、SB、SC，具体实现过程为：SA＝S1a+S2a，SB＝S1b+S2b，SC＝S1c+S2c；
(3)矢量SA、SB、SC经过第四桥臂调制策略SA+SB+SC+SD＝4即
SD＝4-SA-SB-SC (1)
得矢量SA、SB、SC、SD，具体过程为：
SA、SB、SC为020时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0202；
SA、SB、SC为220时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2200；
SA、SB、SC为200时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2002；
SA、SB、SC为202时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2020；
SA、SB、SC为002时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0022；
SA、SB、SC为022时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0220；
SA、SB、SC为120时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1201；
SA、SB、SC为210时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2101；
SA、SB、SC为201时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2011；
SA、SB、SC为102时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1021；
SA、SB、SC为012时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0121；
SA、SB、SC为021时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0211；
SA、SB、SC为121时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1210；
SA、SB、SC为110时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1102；
SA、SB、SC为211时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为2110；
SA、SB、SC为101时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1012；
SA、SB、SC为112时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1120；
SA、SB、SC为011时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为0112；
SA、SB、SC为111时，根据第四桥臂调制策略得SA、SB、SC、SD为1111；
当SA、SB、SC、SD为上述的19个矢量时，能满足第四桥臂调制策略，因此称为有效矢量；
当SA、SB、SC、SD为下述8个矢量时，不能满足第四桥臂调制策略，因此称为无效矢量；
SA、SB、SC为010时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为221时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为122时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为100时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为001时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为212时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为000时，不满足第四桥臂调制策略；
SA、SB、SC为222时，不满足第四桥臂调制策略；
(4)将19个有效矢量在逻辑电路中按如下对应方法分别得g11-g4416个逻辑信号；
在状态2时，gi1＝1,gi2＝1,gi3＝0,gi4＝0；
在状态1时，gi1＝0,gi2＝1,gi3＝1,gi4＝0；
在状态0时，gi1＝0,gi2＝0,gi3＝1,gi4＝1；其中i＝1,2,3,4； (2)
(5)由三角载波与vH和vL相比较得到直通信号D，当三角波C2大于vH或三角波C1小于vL时直通信号D为1，当三角波C2小于vH或三角波C1大于vL时直通信号D为0；
(6)16个信号g11-g44分别与直通信号D经逻辑电路的或门后得16个开关管的驱动信号S11-S44。
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